WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В такой лазерной гетероструктуре значение фактора оптического ограничения активной области (, где QW_N N — номер моды) слабо отличается для фундаментальной моды и мод высшего порядка. В то же время значение фактора оптического ограничения активной Рис. 4. Распределение интенсивности электромагнитного пообласти зависит от ее положения в волноводном слое ля I для нулевой (1), первой (2) и второй моды(3) в лазерной гетероструктуре 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As и для разных мод по-разному (рис. 5). Существуют такие толщиной волновода D = 1.7 мм. 4 — схематическая энергеположения активной области в волноводе, при которых тическая диаграмма верхнего края запрещенной зоны для симфактор оптического ограничения в активной области метричной (a) и асимметричной (b) лазерной гетероструктуры ( ) у фундаментальной моды больше, чем у мод QW_2-й серии.

высших порядков (рис. 5). Если величина отношения / обеспечивает достаточную разницу пороQW_0 QW_N говых концентраций фундаментальной моды и моды высшего порядка, то пороговые условия для моды N выполнены не будут. Мы провели расчеты, позволяющие определить, каким образом толщина волноводного слоя влияет на оптимальное положение активной области.

Величина смещения активной области относительно центра волновода, характеризующая оптимальное положение, монотонно растет с толщиной волновода (рис. 6).

Однако, когда толщина волновода проходит область появления новой моды высшего порядка, в зависимости наблюдается резкий провал (рис. 6). На рис. 6 также представлена зависимость величины / для QW_0 QW_N Рис. 5. Зависимости фактора оптического ограничения для активной области ( ) от ее положения в волноводе (k) для QW нулевой (1), первой (2) и второй моды (3). Расчеты проводились для лазерной гетероструктуры 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As и толщиной волновода D = 1.7 мкм. Стрелками указаны положения активной области с / = max, QW_0 QW_N N — номер моды.

новода, а также от длины резонатора Фабри-Перо (L), которая определяет соотношение внутренних и внешних оптических потерь. В нашем случае для толстых волноводных слоев и длинных (L > 4мм) резонаторов Фабри-Перо разница между пороговой концентрацией фундаментальной моды и мод высшего порядка не превышала 1.8-6.4%. В лазерных диодах такое Рис. 6. Зависимости от толщины волновода D для лазернезначительное отличие пороговых концентраций фунных гетероструктур 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.6As:

даментальной моды и мод высшего порядка приводит 1 — оптимального смещения активной области относительно к одновременному выполнению пороговых условий для центра волновода (k), 2 — отношения /. СтрелQW_0 QW_N всех мод. Это происходит, по нашему мнению, за счет ками указаны толщины, при которых возникают первая — I, флуктуаций концентрации носителей заряда в квантовой вторая — II и третья моды — III.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах... области ( ) и концентрации свободных носителей QW (nQW, pQW). Для уменьшения величины QW необходимо, чтобы переменные, nQW, pQW имели наименьшие QW значения.

Рассмотрим влияние параметров лазерной гетероструктуры на значение каждой из этих переменных.

На рис. 8 для симметричных структур представлены зависимости от толщины волновода D для фунQW даментальных мод структур с эмиттерами из твердого раствора Al0.6Ga0.4As (кривая 1) и структур с эмиттерами из твердого раствора Al0.3Ga0.7As (кривая 2), энергетические диаграммы которых показаны на рис. 1.

Разница между величинами наблюдается только в QW Рис. 7. Зависимости величины пороговой концентрации элекобласти их максимумов. С ростом толщины волновода тронов в квантовой яме (nQW) от номера моды N для структур значения для фундаментальных мод обеих структур QW 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As с толщиной волновода практически сравниваются. Таким образом, повышение D = 1.7 (1, 3) и 2.8 мкм (2, 4) и активной областью, располоэффективности волновода не ведет к существенному роженной в центре волновода (3, 4) и смещенной в оптимальное сту для структур со сверхширокими волноводными QW положение (1, 2). Длина резонатора лазерных диодов L = 4 мм.

слоями.

На том же рис. 8 для симметричных структур с эмиттерами из твердого раствора Al0.3Ga0.7As приведены оптимального положения активной области от толщи- зависимости фактора оптического ограничения активной области для мод высшего порядка (кривые 3-5).

ны волновода. Увеличение толщины волноводного слоя четных мод высшего порядка практически совпасопровождается снижением селективной способности. QW_N дает с фундаментальной моды. Поэтому в баланс Особенно резкие спады наблюдаются в моменты появ- QW_усиления фундаментальной моды и четных мод высшего ления новых мод высшего порядка.

порядка основной вклад вносят внутренние оптические Для оценки эффективности селекции мод высшего потери в эмиттерных слоях и внешние потери на выходе.

порядка в асимметричных лазерных гетероструктурах Увеличение толщины волноводного слоя ведет к раздельного ограничения были определены величины снижению фактора оптического ограничения как для пороговых концентраций для всех мод, существующих фундаментальной моды, так и для мод высшего порядка в многомодовом волноводе. Расчет проводился для (рис. 8). Однако фактор оптического ограничения и консимметричной и асимметричной структур с толщинами центрация свободных носителей заряда в квантовой яме волноводов 1.7 и 2.8 мкм (рис. 7). Принималось, что связаны пороговым условием генерации (3). Из этого активная область смещена в одно из оптимальных полоследует, что для полупроводникового лазера с зафиксижений (рис. 5, 6). В асимметричной структуре значение рованными внутренними и внешними оптическими попороговой концентрации моды высшего порядка претерями невозможно добиться одновременного снижения вышает пороговую концентрацию для фундаментальной моды (N = 0) в худшем случае на 19.4 и 8.5% для лазерных гетероструктур с толщиной волновода 1.7 и 2.8 мкм соответственно (рис. 7). Согласно эксперименту, такого превышения достаточно для селекции мод высшего порядка, подтверждение чего будет продемонстрировано далее. В то же время в симметричной структуре различия в пороговых концентрациях фундаментальной моды и мод высшего порядка не превышают 5% (рис. 7).

5. Внутренние оптические потери на рассеяние в активной области Внутренние оптические потери на рассеяние в активной области (QW) принято представлять в следующем виде [18]:

Рис. 8. Зависимости фактора оптического ограничения акQW = (nnQW + p pQW). (6) QW тивной области ( ) от толщины волновода D для нулевой QW моды симметричных структур 1-й серии с эмиттерами из Для заданного материала активной области с сечением Al0.6Ga0.4As (1) и нулевой (2), второй (3), четвертой (4), шерассеяния для дырок p и электронов n величина QW стой (5) мод симметричных структур 2-й серии с эмиттерами зависит от фактора оптического ограничения активной из Al0.3Ga0.7As.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1482 С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Л. Станкевич...

концентрации свободных носителей заряда и фактора оптического ограничения активной области. Тем не менее в работе [20] была представлена экспериментальная зависимость материального усиления g(nQW, pQW) для квантовой ямы, используемой в качестве активной области в данной работе, и логарифмическая аппроксимация полученной зависимости. При высоких концентрациях свободных носителей заряда материальное усиление имеет характерную область насыщения. Поэтому главной особенностью зависимостей (4), (5) является то, что при выполнении неравенства g0 int + ext (7) QW изменение значения практически не влияет на QW Рис. 9. Зависимости фактора оптического ограничения величину концентрации свободных носителей заряда p-эмиттера ( ) от толщины волновода D для нулевой CL_p в активной области. Безусловно, чтобы равенство (3) моды структур 1-й серии с эмиттерами из Al0.6Ga0.4As (1) оставалось справедливым, снижение необходимо QW и нулевой (2), второй (3), четвертой (4), шестой (5) мод компенсировать большим значением материального уси- структур 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As.

ления g. Рост материального усиления для данного материала активной области можно обеспечить только за счет увеличения в ней концентрации свободных носизначениями величины для структур с разной CL_p телей заряда. Однако из-за сверхлинейной зависимости эффективностью волновода растет вместе с увеличениg(nQW, pQW) на начальном участке рост концентраций ем толщины волноводного слоя D (рис. 9, кривые nQW и pQW незначителен. Другими словами, когда нераи 2). При равных условиях легирования потери в венство (7) справедливо, увеличение толщины волноэмиттерах (CL) будут больше для структур, имеющих вода, ведущее к снижению, позволяет уменьшить QW меньший скачок показателя преломления на границе значение QW. Поэтому расширение волновода является волновод-эмиттер. Несмотря на это, расширение волноэффективнейшим способом снижения внутренних оптивода позволяет снизить величину для обоих типов CL_p ческих потерь на рассеяние на свободных носителях структур до долей процента (рис. 9), когда глубина прозаряда в активной области.

никновения поля моды в эмиттеры снижается до долей микрона. В отличие от активной области концентрация 6. Внутренние оптические потери свободных носителей в эмиттерах задается в технологическом процессе роста лазерной гетероструктуры, и на рассеяние в волноводе значение концентрации может варьироваться в широких и эмиттерах пределах. Поэтому оптимизация профиля распределения концентрации свободных носителей заряда в эмиттерных Суммарные внутренние оптические потери на рассеслоях может быть эффективным способом снижения яние, приходящиеся на эмиттеры (CL), можно представеличины CL. Таким образом, используя сверхширокие вить следующим образом:

волноводы и оптимизированные профили легирования CL = nnCL_n + p pCL_p, (8) эмиттеров, можно свести к минимуму вклад величины CL_n CL_p CL в суммарные внутренние оптические потери незавигде n и p — сечения рассеяния для электронов и дысимо от эффективности волновода.

рок,, — факторы оптического ограничения nCL_n CL_p Внутренние оптические потери, приходящиеся на воли p-эмиттеров; nCL_n, pCL_p — концентрации носителей новодные слои, рассчитываются следующим образом:

заряда в n- и p-эмиттерах.

На рис. 9 представлены результаты расчета факторов W = (nnW + p pW), (9) W оптического ограничения p-эмиттера ( ) для разCL_p личных мод при разных толщинах волновода (D) для где — фактор ограничения в волноводе, nW, pW — W структур, описанных выше (рис. 1). В отличие от ак- концентрации электронов и дырок в волноводе. На тивной области в эмиттерных слоях различия факторов рис. 10 представлены результаты расчета факторов оптиоптического ограничения фундаментальной моды и мод ческого ограничения волноводных слоев ( ) различных W высшего порядка значительны, что нобходимо учитывать мод при разных толщинах волновода D для структур, при рассмотрении баланса усиления и пороговой кон- описанных выше (рис. 1). Для обоих типов лазерных центрации различных мод сверхширокого волновода. гетероструктур со сверхшироким (более 1 мкм) волЭффективность волновода оказывает значительное новодом значение практически не зависит от его W влияние на величину, а именно разница между толщины и эффективности (кроме областей появления CL_p Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах... Внутренние оптические потери в активной области (QW) вычислялись в соответствии с выражением (6).

Концентрация свободных носителей заряда в активной области определялась из уравнений (4), (5). Поскольку величина пороговой концентрации связана не только с внутренними потерями, но и с потерями на выход излучения из резонатора (3), длина резонатора принималась постоянной и равной L = 4 мм. На рис. 3 представлена зависимость пороговой концентрации электронов в акРис. 10. Зависимости фактора оптического ограничения волтивной области для симметричной структуры (рис. 1) новода ( ) от его толщины D для нулевой моды структур W в зависимости от толщины волновода. При расчете 1-й серии с эмиттерами из Al0.6Ga0.4As (1) и нулевой (2), пороговой концентрации свободных носителей заряда второй (3), четвертой (4), шестой (5) мод структур 2-й серии в активной области учитывался выброс электронов из с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As.

квантовой ямы по методике, предложенной в работе [27].

Поэтому при расчете QW учитывалась концентрация новых мод) (рис. 10). Поэтому единственным способом снижения величины W является уменьшение концентрации неконтролируемых примесей в волноводных слоях.

7. Расчет полных внутренних оптических потерь Выше нами были проанализированы зависимости основных компонент внутренних оптических потерь от параметров лазерной гетероструктуры раздельного ограничения. Далее мы проведем количественную оценку суммарных внутренних оптических потерь int для двух серий симметричных и асимметричных лазерных гетероРис. 11. Зависимости внутренних оптических потерь в двух структур. Для расчета величины внутренних оптических эмиттерных слоях (CL ) от толщины волновода D для нулевой потерь необходимо знать факторы оптического огранимоды симметричных структур 1-й серии с эмиттерами из чения моды в каждом слое структуры, сечения поглоAl0.6Ga0.4As (1) и нулевой (2), второй (3), четвертой (4), шещения для электронов и дырок, а также концентрации стой (5) мод симметричных структур 2-й серии с эмиттерами свободных носителей. Расчетные зависимости факторов из Al0.3Ga0.7As.

оптического ограничения для обеих серий структур нами уже были представлены на рис. 8-10. Для проведения вычислений нами были использованы следующие значения сечений рассеяния для электронов и дырок:

n = 3 · 10-18 см2 и p = 7 · 10-18 см2 [26]. Также для проведения расчетов нами были приняты следующие значения концентрации свободных носителей заряда в слоях лазерной гетероструктуры с параметрами, заданными технологическим процессом. Эмиттеры n- и p-типа проводимости имели концентрацию электронов n = 1018 см-3 и дырок p = 3.5 · 1018 см-3. Волноводные слои считались нелегированными и имели концентрацию остаточной примеси 3 · 1015 см-3.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.